Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Pantulan Unik ala Superball

Superball adalah sejenis bola dengan elastisitas yang bisa dikatakan nyaris sempurna. Artinya, jika bola itu jatuh dari ketinggian 1 meter, ia akan memantul setinggi 1 meter juga. Terus kenapa? Mari kita lihat satu kejadian yang menarik berdasarkan sifat fisis bola ini.

Ed37-fisika-1

Anggap saja kita mempunyai sebuah bola biasa (seperti bola tenis), satu superball, dan satu meja makan berbentuk persegi dengan empat kaki (atau yang penting berwujud meja sih). Lalu, kita lemparkan dua macam bola tersebut ke kolong meja secara bergantian. Jika kedua bola ini dapat menyentuh sisi bawah meja, kita akan menemukan fenomena yang unik.

Ed37-fisika-2

Untuk bola biasa, setelah kita lemparkan bola ini akan memantul ke lantai, berlanjut ke bawah meja, lalu ke lantai di arah yang semakin menjauh dari badan kita. Dengan kata lain, bola ini tidak akan kembali ke pelempar. Lain halnya dengan superball, dengan cara melempar yang sama, superball bisa kembali ke arah pelemparnya.

Gak percaya? Silakan coba sendiri. Meskipun kita tidak pernah bisa mendapatkan superball yang benar-benar “super”, ada lho benda yang elastisitasnya nyaris seperti superball, begitupun sifatnya. Perkenalkan, namanya adalah bola bekel. Tahu, kan? Jika tidak punya, belilah satu biji di tukang mainan SD dekat rumah. Kemudian, cobalah langkah-langkah yang sama seperti yang sudah disebutkan, decak kagum mungkin keluar dari mulut kita jika kita tak pernah melakukan percobaan ini.

Bagaimana fenomena pantulan yang unik ini bisa terjadi pada superball? Untuk menjelaskannya, kita bisa gunakan beberapa ilustrasi sederhana.

Beberapa besaran yang penting diperhatikan ketika sebuah superball menumbuk suatu bidang datar.

Beberapa besaran yang penting diperhatikan ketika sebuah superball menumbuk suatu bidang datar.

Misalkan sebuah superball menumbuk suatu bidang dengan kecepatan tertentu (v untuk gerak translasi), sudut tertentu, dan kecepatan putaran tertentu (ωz untuk gerak rotasi). Pertama-tama, perhatikan bahwa momentum bola pada arah tegak lurus bidang ketika memantul akan dikembalikan sempurna seperti sedia kala. Ini hal yang lazim diketahui dalam fisika. Pada saat kontak, bidang datar akan menggesek bola dengan gaya gesek f sehingga kecepatan rotasi bola berubah. Oleh karena energi tetap (keadaan yang terpenuhi jika bola bersifat elastis sempurna), perubahan kecepatan rotasi bola dalam hal ini akan diimbangi dengan perubahan kecepatan translasi bola.

Selanjutnya, tumbukan superball dengan bagian bawah meja itu konsepnya sama dengan peristiwa pertama. Kita tinggal membalik arah beberapa variabel.

Ed37-fisika-4

Perhitungan detailnya mungkin akan terasa rumit bagi yang tidak biasa berhitung. Di sini kita cukup lihat hasilnya saja. Kita pun bisa ambil kasus sederhana superball yang mula-mula tanpa berotasi saat dilemparkan.Hasilnya seperti pada gambar berikut ini.

Ed37-fisika-5

Pada tumbukan pertama (dari lintasan 0 ke lintasan 1), lantai menggesek permukaan bawah bola berlawanan arah dengan kecepatan horizontal bola. Akibatnya, bola mengalami putaran ke depan dan nilai kecepatan rotasinya bertambah yang ditentukan oleh kecepatan translasi mula-mula pada arah horizontal (x) dan jari-jari bola (R). Jika kecepatan rotasi bola bertambah, kecepatan translasi di sini berkurang supaya prinsip konservasi energi terpenuhi.

Pada tumbukan kedua (dari lintasan 1 ke lintasan 2), meja menggesek bagian atas bola berlawanan arah geraknya, sesuai ilustrasi pada gambar. Setelah tumbukan ini, putaran bola berbalik arah, demikian juga kecepatan translasinya pada arah mendatar. Hal ini ditunjukkan oleh tanda minus pada hasil perhitungan v2 dan ω2.

Terakhir, untuk lintasan 2 ke lintasan 3, bola mendatangi lantai dengan kecepatan translasi pada arah horizontal menuju pelempar dan rotasi berlawanan jarum jam. Gesekan di sini tidak banyak berpengaruh terhadap putaran. Besar kecepatan translasi pun tidak banyak berubah. Sebagai hasilnya, superball dapat meluncur mulus kembali kepada kita.

Menarik, bukan? Ayo, apa ada yang bisa menurunkan detail perumusannya sehingga menghasilkan nilai-nilai kecepatan translasi dan rotasi superball sesuai gambar terakhir tulisan ini?

Catatan:
Tulisan ini diterbitkan ulang oleh penulis dengan beberapa perubahan dari salah satu arsip artikelnya di komunitas 102FM ITB.

Penulis:
Ahmad Ridwan T. Nugraha, peneliti fisika, alumnus Institut Teknologi Bandung dan Tohoku University.
Kontak:art.nugraha(at)gmail(dot)com.